挤密砂桩解决桩基础泥面处转角问题的应用研究

来源:用户上传      作者:张卫民　徐海滨

　　摘 要：近年来，国内海上风电发展迅猛，基础多为高耸基础，其中大直径单桩基础是近年来最常用的一种典型基础型式。挤密砂桩作为一种常规软土地基处理方法，国内研究多集中于软土地基加固和复合地基承载力方面，针对大直径单桩桩基转角控制的研究较少，本文结合工程實例，研究了挤密砂桩对桩基泥面处转角的控制影响。结果表明，挤密砂桩可以有效解决桩基泥面处的转角问题，该方法实施经济高效、对后续工程具有指导意义。
　　关键词：大直径单桩;挤密砂桩;桩基转角;桩基础稳定
　　中图分类号：U655.55;TU472.32
　　Abstract：In recent years，domestic offshore wind power has been developing rapidly， the foundation is mostly high-rise structure， large-diameter monopile is the most commonly used typical foundation type. Sand pile is a conventional method of soft soil foundation treatment， the research on soft soil foundation reinforcement and bearing capacity of composite foundation are mostly focused in domestic， the study of corner control of large diameter monopile is more less. In this paper， the influence of sand compaction pile on the corner control of the pile foundation is studied. Combined with engineering example， it is concluded that the corner control of the pile foundation at the mud surface is solved effectively， the method is economical and efficient， and has guiding significance for subsequent projects.
　　Key words：large-diameter monopile;sand compaction pile;the corner of pile foundation;stability of pile foundation
　　 近年来，国内很多研究人员对软土地基处理工艺和方法进行了大量的研究。徐建平等[1]通过在软粘土中静力压入单桩和双桩的模型试验，研究了沉桩挤土效应，获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度方向变化的规律，并对压入单桩与双桩的试验结果进行了比较分析。许朝阳等[2]从试验入手分析了软粘土中静压桩贯入时，引起的土体位移场变化规律，通过对一些因素加以控制，观测了单桩和有邻桩存在时，土体的侧移和隆起规律。然后通过二维弹塑性有限元模拟桩的压入过程，通过在桩侧设置接触面单元，获得了挤土过程中，土体的位移和土中的应力分布。卓杨等[3]采用有限元方法对水平荷载作用下单桩试验进行数值模拟，以土弹簧取代桩周土体作用，提出了由实测试验桩数据推导求得土弹簧刚度的方法，此方法可应用于各种荷载作用、泥面坡度情况下桩的桩-土相互作用。杜朝东[4]讨论了运用挤密砂桩加固软弱地基的原理和作用，并结合工程实例，阐述了施工中存在的问题及解决办法。李永见等[5]结合工程实践，着重介绍了砂桩在软土地基处理中的应用，通过对地基承载力的测试结果和对复合地基沉降的观测，证明了砂桩在软土地基处理中的应用效果良好。林鸣等[6]针对海上挤密砂桩软基加固工法，依托港珠澳大桥岛隧工程对其原理和特点进行介绍，总结现场挤密砂桩载荷板试验的相关成果，介绍了海上挤密砂桩应用在不同构筑物时的设计原理、计算方法以及布置方案，归纳总结了海上挤密砂桩的施工效率和相应的质量控制管理措施。丁如珍等[7]针对淮安地区高速公路软弱地基的工程实例，进行了砂桩复合地基承载性能的理论计算分析，并将理论计算结果与实测结果进行对比，两者结果基本一致。同时从复合地基理论与砂桩单桩承载力计算理论的角度分析影响复合地基承载力的影响因素。莫景逸等[8]介绍软黏土地基中挤密砂桩加固的设计计算方法及部分工程实例，并根据工程实践提出一些设计计算方法方面的探讨性意见。上述研究主要集中在挤密砂桩处理软土地基加固问题和复合地基承载力等方面，针对大直径单桩转角控制的研究较少。
　　本文依托我国某海上风电场项目，对海上大直径钢管单桩基础采用挤密砂桩对桩周软土地基加固处理，并对处理效果进行了现场试验取样，深入研究了挤密砂桩对桩基泥面处转角的控制影响，对类似工程有一定的参考价值。
　　1 工程概况
　　1.1 工程案例
　　我国某海上风电场，本文选取典型机位A，设计方案采用大直径钢管桩单桩基础，直径为5.5～6.1m，壁厚65～75mm，桩长为70m;桩顶设计标高为+12m，桩端设计标高为-58m，需贯穿强风化灰岩，沉桩至中风化岩面以上1m处。A机位地质剖面图如图1所示，相应的物理力学指标如表1所示。
　　1.2 沉桩监测分析
　　A机位沉桩至钢管桩桩顶标高+13.7m时，桩身应力最大值为132.2Mpa，终锤贯入度为1.2mm，桩身垂直度从0.36‰逐渐增大至2.3‰。高应变检测显示桩身静土阻力由25489KN增大到138358KN。结合地质资料判断钢管桩端部已经进入岩层，根据静土阻力急剧增大及桩身垂直度变化初步判断桩端局部已出现屈曲，停止沉桩。如图2所示，后经桩内处理发现管桩已撕裂变形，坡口角度约45°，整体斜置于孔底岩层中。 　　根据规范[10]要求，单桩基础计入施工误差后，泥面处整个运行期内循环累积总倾角不应超过0.50°。根据目前情况，经复核泥面转角为0.32°，泥面水平最大位移8.178cm。計入施工误差后，转角已达到0.45°。在考虑风机运行期内累积误差后，难以满足风机运行期内桩基础稳定。
　　2 处理方法
　　2.1 常规处理方法
　　常规处理方法为桩内水下切除屈曲钢板，继续沉桩到设计标高。这种处理方法弊端：极易造成管涌，安全风险大、处理周期长、费用高，继续沉桩极易造成桩身进一步倾斜，加大桩基础泥面处倾角，直接影响桩基础稳定。
　　2.2 挤密砂桩处理方法
　　根据A机位土层分布，制定水下挤密砂桩处理方案：采用挤密砂桩加固桩周软土，主要加固淤泥质粉质黏土混砂层，加固深度-35.1m，砂桩长度14.8m。砂桩采用间隔跳打方式，如图3所示围绕桩周均匀布置，砂桩间距1.8m，砂桩直径1.6m，置换率62%，共850根。
　　3 桩周加固处理及复核计算
　　砂桩加固后，根据现场标贯试验，标贯器内土样分析，地基以砂土为主，偶见砾石和黏土团块。根据规范，砂桩置换率62%，地基土在不考虑原始状态的砂土颗粒情况下，已属于砂土。
　　A机位砂桩地基共检测3个孔，本文选取1#孔，采用Peck（1974）公式进行推算，公式如下：
　　 表2为1#孔的实测标贯锤击数经修正后推算的砂桩内摩擦角，范围为32°～38°;2#孔和3#孔推算的内摩擦角范围分别为31°～34°、31°～33°。采用海洋工程结构分析设计软件SACS数值计算，泥面处总转角为0.36°，泥面水平最大位移5.842cm，满足规范[10]要求。
　　4 结论
　　本文以某海上风电大直径单桩基础采用挤密砂桩处理桩基础转角为例，开展了挤密砂桩对桩基础泥面处转角控制影响的研究，得到以下结论：
　　（1）根据现场标贯试验及取样分析，地基土以砂土为主，实测标贯击数大部分处于20击到35击范围，砂土处于稍密至密实状态。推算内摩擦角在31°～38°之间，在计入桩基础施工误差后，推算泥面处总转角为0.36°，泥面水平最大位移5.842cm，满足规范[10]要求。
　　（2）采用挤密砂桩处理桩基础转角问题，相比传统处理方式更安全可靠、经济快捷，具有一定的经济效益，在处理桩基础泥面处转角问题方面有一定的示范作用。
　　参考文献：
　　[1]徐建平，周健，许朝阳，等.沉桩挤土效应的模型试验研究[J].岩土力学，2000，21（3）：235-238.
　　[2]许朝阳，周健，等.软粘土中沉桩效应的模型试验研究及数值模拟[J].土工基础，2000（4）：20-24.
　　[3]卓杨，刘兹胜，吴锋，等.水平受荷桩桩-土作用的有限元分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（s2）：1554-1556.
　　[4]杜朝东.挤密砂桩施工[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2008，21（3）：115-118.
　　[5]李永见，张伟，龚治国.振动挤密砂桩在加固软弱地基的应用[J].土木建筑与环境工程，2001，23（6）：27-29.
　　[6]林鸣，梁桁，刘晓东，等.海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用[J].中国港湾建设，2012（4）：72-77.
　　[7]丁如珍，张义贵，缪林昌.挤密砂桩加固软弱地基的承载性能研究[J].公路交通科技，2004，21（7）：48-50.
　　[8]莫景逸，黄晋申.挤密砂桩在海洋接岸地基加固工程中的应用[J].水运工程，2007（11）：123-128.
　　[9]NB/T10105-2018海上风电场工程风电机组基础设计规范[S].2012（4）：72-77.
　　[10]JTS133-2013水运工程岩土勘察规范[S].
　　作者简介：张卫民（1981-），男，江苏连云港人，高级工程师，主要从事新能源项目建设及技术研究。
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